Andrea Young descoperă fizica ciudată a materialelor 2-D

Sigla SN10 2019

A vorbi cu Andrea Young e ca și cum ai vedea un cal de curse care se ține înapoi la poarta de start. Ne-am întâlnit în campusul Universității din California, Santa Barbara, unde este un fizician al materiei condensate, pentru a discuta despre munca sa pe materiale 2-D. Mintea lui pare să lucreze mai repede decât poate curge conversația. Părerea mea este că, odată ce frâiele sunt slăbite – și se întoarce în laborator – va decola.

Colegii lui Young confirmă că așa este. „Este un vârtej”, spune fizicianul Raymond Ashoori de la MIT. Când Young era post-doctorat în laboratorul său, spune Ashoori, mi s-a părut „o idee pe minut”.

Young, în vârstă de 35 de ani, are un mod cu substanțe rase până la grosimea unui singur atom, cum ar fi foile de carbon cunoscute sub numele de grafen. Cercetările sale au dezvăluit noi stări ale materiei și înțelegerea avansată a oamenilor de știință asupra fizicii ciudate care apare atunci când materialele sunt tăiate subțiri.

„Lucrurile se schimbă foarte mult când schimbi numărul de dimensiuni”, spune Young.

În calitate de student absolvent la Universitatea Columbia, Young a contribuit la crearea unui nou tip de material care a transformat modul în care oamenii de știință studiază grafenul. Împreună cu fizicienii Cory Dean, Philip Kim și colegii, Young a conceput o tehnică de stratificare a grafenului cu alte materiale, în special cu un alt compus care formează foi 2-D numite nitrură de bor hexagonală. Combinația face mai ușor de lucrat cu grafenul, uneori complicat. Și electronii materialului pot fi convinși să se comporte în moduri neobișnuite, interacționând puternic unul cu celălalt, de exemplu. Raportat în Nanotehnologia naturii în 2010, tehnica a fost adoptată rapid de oamenii de știință din întreaga lume. „Toată lumea îl folosește acum”, spune Ashoori.

După perioada petrecută la Columbia, Young a continuat perioade la MIT și la Institutul de Știință Weizmann din Rehovot, Israel, înainte de a ateriza la UC Santa Barbara în 2015. Până acum, Young și-a folosit tehnica de stratificare pentru a dezvălui noi fenomene cuantice și stări de materie cu nume de răsucire a limbii precum fluturele lui Hofstadter și izolatorii Chern fracționați. În multe dintre materialele din studiile Young, electronii prezintă un comportament colectiv, rezultând cvasiparticule, excitații într-un material care imită o particulă subatomică reală. Este un pic ca modul în care o mulțime de oameni individuali poate face valul lucrând împreună.

A ține pasul cu progresul rapid al lui Young în laborator l-a ținut ocupat pe consilierul său absolvent, Kim. „Este extrem de strălucit și foarte energic”, spune Kim, acum la Universitatea Harvard. Înțelegerea de către Young a conceptelor teoretice, în combinație cu cunoștințele experimentale, îl face să genereze și să implementeze rapid idei noi sau să urmărească subiecte de cercetare fierbinți. În 2018, el, Dean și colegii au fost primii care au replicat un rezultat de succes în fizica materiei condensate: două foi de grafen, atunci când sunt stratificate și rotite una față de cealaltă, devin supraconductoare, permițând electronilor să curgă fără rezistență. Tinerii și colegii și-au adăugat propria întorsătură, raportând în 8 martie Ştiinţă că supraconductivitatea materialului ar putea fi reglată prin punerea lui sub presiune.

straturi de grafen
Stratificarea materialelor 2-D precum cele pe care Andrea Young le studiază poate aduce noi caracteristici. Când două straturi de grafen asemănătoare fagurelor sunt suprapuse, apare un nou model, cunoscut sub numele de model moiré. Stratificarea poate avea efecte mari asupra electronilor din interior. La un anumit unghi materialul devine supraconductor.Prin amabilitatea lui Y. Cao et al

Rapiditatea lui Young pare să ia forme multiple – rapiditate de gândire, agilitate experimentală și chiar rapiditate a piciorului. Într-o perioadă deosebit de agitată, Dean, care a colaborat cu Young de ani de zile, s-a îndreptat spre laborator luminos și devreme, în jurul orei 7 dimineața. Când Dean și-a ridicat privirea, „la 100 de metri în fața mea era Andrea, grăbindu-se și mai repede să ajungă la laborator. .”

Fascinația lui Young pentru fizică a apărut și ea rapid: „Din cele mai vechi amintiri, mi-am dorit să fiu fizician și nu este clar unde s-a nucleat această idee”, spune Young, care a crescut la Washington, DC.

Totuși, nu se vede la fel de rapid. În loc să urmărească evoluții rapide, el spune că este motivat de întrebări de ansamblu, pe termen lung. Pasiunea sa actuală este în căutarea unei noi clase propuse de cvasiparticule, numite anyons non-abelieni. „Asta a devenit lucrul de care… sunt obsedat”, spune el.

Oamenii de știință au descoperit o mare varietate de cvasiparticule, dar oricine nu se încadrează în niciuna dintre cele două categorii pe care le fac toate celelalte particule. Nu sunt fermioni, particule familiare precum electroni, protoni și neutroni; nici nu sunt bosoni, care includ particule purtătoare de forță, cum ar fi fotonii, particule de lumină care transmit forțe electromagnetice.

Anyoni, care apar doar în două dimensiuni, sunt nepotriviți. Și oricine non-abelian este încă mai străin. Teoria sugerează că pot fi „împletite” unul cu celălalt schimbând locațiile lor într-un material. Această împletitură ar putea proteja informațiile cuantice fragile de a deveni corupte, permițând posibil oamenilor de știință să creeze computere cuantice care pot efectua calcule pe care nici un computer standard nu le poate face.

Dar nimeni nu a demonstrat definitiv că anyonii non-abelieni există și au proprietățile utile necesare pentru calculul cuantic. O nouă stare a materiei numită izolator Chern fracționat, pe care Young și colegii au raportat-o ​​pentru prima dată în 2018 în Ştiinţă, ar putea fi o ascunzătoare probabilă. Young – vânător de locuitori ciudați ai materiei 2-D – este în urmărire.